暴潮分析與預警系統技術發展 期末報告

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暴潮分析與預警系統技術發展 期末報告

計畫主持人：楊文昌 研究員 計 畫 團 隊：廖建明 副研究員

賴堅戊 助理研究員 吳季莊 佐理研究員

國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心

中華民國 103 年 1 月

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目錄

一、緒論………..1

二、潮汐調和分析………..3

三、暴潮分析………..6

四、結論……….24

參考文獻………..…...25

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一、緒論

暴潮(storm surge) 為多種原因匯集，使得正常潮起潮落的 海洋現象，發生突然性的水位異常堆高的現象。暴潮並非潮汐，

而是因為海平面水位上升有如漲潮，故稱為暴潮。暴潮現象主 要是由颱風引起，颱風中心的低氣壓會使海平面升高，颱風往 陸地推移的過程中，會將海浪吹往陸地方向，如遇上大潮和滿 潮，則可能加重災情。

台灣位於太平洋西側，位於北半球颱風熱門路徑上，一年 平均有四個颱風侵襲，根據氣象局統計的路線圖，大致可分為 九種路線，如圖 1-1 所示。每當颱風產生，除了大量雨水可能 造成洪氾災害外，沿海地區也可能因暴潮的侵襲而使民眾生命 財產安全造成威脅。因此，本計畫之主要目的為研究颱風暴潮 與潮汐間的各種關係與暴潮引發之機制，以期達到預測暴潮之 目的，提供權責單位在颱風期間能夠做為暴潮警報發布之依 據。

為達到此目的，本研究將以三個步驟進行暴潮預報研究。

1. 潮汐資料之收集與分析 – 以台灣實測潮位站之潮汐資 料與調和分析之預報潮資料進行比對，找出颱風期間暴 潮發生時之水位變化特性。

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2. 數值模式建構 – 建立暴潮數值模式，經過測試後，以 實際潮汐資料投入模式運算。

3. 展示平台建立 – 建立資料展示平台，以圖片與動畫展 示暴潮模式執行結果。

本年度以潮汐資料之收集與分析作為主要研究目的。

潮汐主要是由行星運行的引力所引致，也稱作天文潮，經 過長年研究，已經可以透過調和分析進行精準的預測。由於天 文潮呈現週期性變化，經由天文潮計算而得的預報潮僅能提供 理想狀態的潮汐水位，無法預測颱風來臨或其他自然現象發生 時的真實狀況。當颱風過境時，真實測站所紀錄下的水位高度，

時常會和預測資料有所差異，稱為水位異常值或是潮位偏差 (△ H)。

圖 1-1、台灣颱風路線分類圖。(中央氣象局，2004)

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二、潮汐調和分析

由於天文潮呈現週期性變化，理論上可藉由調和分析來解 析各分潮的加權係數，並利用數值與同化的方法可模擬潮汐的 變化，進而可精準達到預測的功效。

調和分析係以牛頓所提出的平衡潮(equilibrium tide)理論為 基礎，進行潮汐推算的一種方法。假設某地任一時間的潮汐水 位 Y(t)為各分潮潮高 y(t)之總合，其數學式可表示如下

Y(t) = 𝐻 + ∑ 𝑦 (𝑡) = 𝐻 + ∑ 𝑓𝐻 𝑐𝑜𝑠

(𝜔 𝑡 + (𝑉 + 𝑢) − 𝑘 )

(2-1)

yi為各分潮潮高，t 為時間，M 為分潮個數，ω為各分潮角速度，

(V0 + u)i為各分潮平衡引數(Equilibrium Argument)，ki為各分潮 相位角(phase angle)。

在計算過程中，假設平均海水面為大地水準面，故H 設為 0，利用三角函數關係可轉換如下：

Y(t) = 𝑎 + ∑ (𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑡 − 𝑏𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑡)

(2-2)

𝑎 = 𝐻

a

= f

∙ H

∙ cos[(V + u)

− k

]

b

= f

∙ H

∙ sin[(V + u)

− k

]

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利用前述之數學式，將長期觀測到的水位資料代入，即可 解算得到各分潮之加權係數。而在得知各分潮之加權係數，即 可藉由潮汐關係式而得到潮汐高度 Y(t)。以塭港潮汐水位資料 為例，並利用各分潮的相關參數值如表 2-1 所列，經利用調和 分析法來解析，即可得到各分潮的相關係數，然而利用潮汐關 係式即可推算潮汐的時間系列變化，如圖 2-1 所式。

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表 2-1、天文潮各分潮之特性參數值

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圖 2-1、利用調和分析法解析合成塭港之潮汐水位

三、暴潮分析

3-1 資料蒐集與初步分析

經由氣象局的颱風資料庫，我們整理了 2009 年至 2012 年 所發布颱風警報的颱風事件，歸納出每一年颱風侵襲台灣的時 間、颱風強度雨潮位狀況等資訊，如表 3-1 所示:

表 3-1、2009 年至 2012 年颱風侵台資料

2009 年侵台颱風資料(6/18-10/13)

颱風名稱 日期 暴風圈接近台灣 近台規模 接近區域 潮汐

芭瑪 9/28-10/13 10/4-10-6 中-輕 台灣西南 大潮 莫拉克 8/3-8/11 8/7-8/9 中-輕 台灣東側-西側 大潮 莫拉菲 7/15-7/19 7/17-7/18 輕 台灣南側 小潮 蓮花 6/18-6/22 6/20-6/22 輕 台灣西側 小潮 2010 年侵台颱風資料(8/27-10/23)

颱風名稱 日期 暴風圈接近台灣 近台規模 接近區域 潮汐

來羅克 8/27-9/2 8/30-9/2 輕 台灣西南 大潮 南修 8/29-8/31 8/29-8/31 輕 台灣北部

莫蘭蒂 9/7-9/10 9/7-9/10 輕 台灣東-南-西 大潮 凡那比 9/15-9/20 9/18-9/20 中 台灣東側-西側 小潮 梅姬 10/13-10/23 10/21-23 中 台灣西側 大潮

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2011 年侵台颱風資料(5/6-8/31)

颱風名稱 日期 暴風圈接近台灣 近台規模 接近區域 潮汐

艾利 5/6-5/11 5/10 輕 台灣東部

桑達 5/20-5/29 5/27-5/28 強-中 台灣東部

米雷 6/21-6/27 6/247-6/25 輕 台灣東北 小潮

梅花 7/28-8/8 NAN 中 台灣東北 小潮

南瑪都 8/22-8/31 8/28-8/31 中-輕 台灣東南-西 大潮 2012 年侵台颱風資料(6/17-9/30)

颱風名稱 日期 暴風圈接近台灣 近台規模 接近區域 傑拉華 9/20-9/30 9/27-9/28 強-中 台灣東部 天枰 8/18-8/30 8/21-8/29 中-輕 台灣南部-西南

-東部

泰利 6/17-6/20 6/20 輕 台灣西部

蘇拉 7/27-8/3 7/30-8/2 中 台灣東北-北部

啟德 8/13-8/18 NAN 輕 台灣南部

海葵 8/2-8/9 8/7-8/8 中 台灣北部 杜蘇芮 6/26-6/30 6/28-6/29 輕 台灣南部海岸

表 3-1 中，颱風日期為氣象局發布警報至解除警報之時段，

暴風圈接近台灣的判定為氣象局定義之颱風影響範圍網格開始 覆蓋到台灣本島的期間，近台規模為颱風接近台灣時的強度，

接近區域為颱風最初登陸台灣的地方。2012 年無潮位資料係因 資料收集期間，氣象局潮位觀測資料僅提供至 2012 年 3 月，故 無 2012 年颱風侵襲時(6 月至 9 月)之潮位觀測資料。

透過上表，我們以花蓮港為代表，將 2009 至 2011 年颱風 侵襲台灣時的潮汐觀測資料繪製成圖，如圖 3-1 至 3-3 所示。

選擇花蓮港做為代表，係因花蓮港潮位站位於台灣東部，2009 至 2011 年的颱風路徑大多為自台灣東部登陸，故花蓮港可視為

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最早受到颱風影響之潮位站，其潮位資料亦未受到地形影響，

為最能呈現颱風期間水位異常變化之測站。但因資料空缺數量 太多，在圖 3-1 至 3-3 的資料展示中，均可看到資料中斷的情 況(如圖 3-1 與 3-4 紅框處)，故在後續的調和分析上並未採用。

圖 3-1、2009 年颱風期間潮汐水位圖

圖 3-2、2010 年颱風期間潮汐水位圖

圖 3-3、2011 年颱風期間潮汐水位圖

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經由圖 3-1 至 3-3，可初步分析出 2009 年至 2011 年較為明 顯的暴潮現象，分別為 2009 年莫拉克颱風 (圖 3-4)與 2010 年 的凡那比颱風(圖 3-5)。

圖 3-4、2009 年莫拉克颱風路徑與潮位圖，圖(b)中紅框框 起處為資料缺漏時段。

(a)

(b)

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圖 3-5、2010 年凡那比颱風路徑與潮位圖

圖 3-4、3-5 中，圖(a)為氣象局公布之颱風路徑圖，圖(b) 為颱風期間之潮位變化圖，兩條綠色線段所框住之範圍為颱風 侵襲的時段，黑色線段為潮汐水位變化趨勢線。

在潮汐沒有外力影響水位變化的情況下，潮汐水位變化趨 勢線應為數值為 0 的水平線，但在颱風來臨期間，水位出現異 常抬升，故水位變化趨勢線會有向上擺動之現象。由圖 3-4、

(a)

(b)

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3-5 可見，莫拉克颱風與凡那比颱風侵台期間(綠色線段框起處)，

潮汐水位均有明顯異常抬升，但因兩者的暴潮特徵明顯，國內 已經有學者針對該現象進行詳細研究(郭、2011，李、2011)，

故在接下來的調和分析法，以 2011 年侵台的颱風為主要研究 對象。

開始分析暴潮資料前，我們針對收集到之氣象局潮位站資 料進行了資料產出率之統計，如表 3-2 所示。之後，選出資料 產出率在 80%以上，並且擁有 2011 年潮位資料之測站進行調和 分析。

表 3-2、氣象局潮位資料產出統計表

站號 站名 資料擷取時間 缺漏筆數 資料總筆數 資料產生率

110 淡水 1991/6/19-1995/10/17 49161 379370 87.04 1102 淡水 1999/6/28-2012/3/31 163155 1118520 85.41 120 麟山鼻 1999/2/26-2002/10/14 155252 318180 51.21 1306 臺北港 2007/12/7-2012/3/31 108683 378480 71.28 180 富基 1997/1/30-1997/6/26 0 35300 100.00 1801 富基 1998/12/30-1999/12/31 5 87820 99.99 111 竹圍 1992/10/1-2007/12/31 160886 1336800 87.96 1116 竹圍 2007/1/1-2012/3/31 25140 460080 94.54 131 彭佳嶼 1998/3/22-1998/5/15 939 12970 92.76 1315 彭佳嶼 2008/12/2-2012/3/31 78953 291700 72.93 1516 基隆 2006/8/1-2012/3/31 30948 496800 93.77 181 鼻頭 1998/12/31-1999/12/31 252 87570 99.71 1223 龍洞 1996/8/20-1997/6/19 0 72690 100.00 1226 龍洞 2001/5/10-2012/3/31 67463 954830 92.93 1821 福隆 2007/6/13-2012/3/31 36814 420790 91.25 113 外埔 2003/7/1-2012/3/31 122288 167280 26.90

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123 梗枋 1996/5/1-2008/5/29 22575 1058580 97.87 1236 烏石 2006/1/14-2012/3/31 18808 544560 96.55 183 馬崗 1998/12/31-1999/12/31 8 87570 99.99 114 王功 1994/3/8-1998/5/31 69241 370880 81.33 124 蘇澳 1991/11/1-2005/10/20 366993 1224580 70.03 115 箔子寮 1995/4/1-2004/6/7 81944 805440 89.83 115a 箔子寮 1996/9/25-1997/1/3 44 23980 99.82 125 花蓮 1991/6/27-2003/9/1 427841 1067770 59.93 1256 花蓮 2003/12/1-2012/3/31 233617 728060 67.91 135 澎湖 1991/6/21-2007/11/30 128105 1441510 91.11 1356 澎湖 2007/11/24-2012/3/31 12199 381470 96.80 116 東石 1993/1/1-2004/8/21 55831 1020080 94.53 1162 東石 1999/3/11-2012/2/24 53646 1135900 95.28 1366 塭港 2003/1/1-2012/3/31 23566 810720 97.09 1176 將軍 2002/1/1-2012/3/31 43463 898320 95.16 127 成功 1993/3/1-2005/12/6 245614 1119350 78.06 118 東港 1998/3/11-2003/7/10 165141 467270 64.66 1186 東港 2003/12/10-2012/3/31 48468 728230 93.34 138 小琉球 1998/3/11-2001/7/3 108266 290420 62.72 1386 小琉球 2002/1/1-2012/3/31 36606 898320 95.93 119 後壁湖 1996/5/17-2007/11/30 128046 1011600 87.34 1196 後壁湖 2007/1/1-2012/3/31 36301 460080 92.11 139 蘭嶼 1992/7/23-2007/9/5 480120 1325270 63.77 1396 蘭嶼 2007/1/1-2012/3/31 80704 460080 82.46

經由表 3-2，選出潮汐資料涵蓋 2011 年全年的潮位站，

如圖 3-11 所示，共有 17 個潮位站符合條件。再從這 17 個潮 位中選出資料產出率高達 80%以上之潮位站，經過挑選，共 有 13 個符合條件的潮位站，分別為淡水、竹圍、基隆、龍洞、

福隆、烏石、後壁湖、將軍、塭港、東石、蘭嶼、小琉球、

澎湖等，而台北港因位於淡水河口，地理位置重要，雖資料

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產出率僅達 71%，也將其納入。測站地理位置如圖 3-12 所示。

圖 3-11、2011 年潮位資料潮位站列表。

圖 3-12、暴潮分析選定潮位站之地理位置。

3-2 暴潮分析案例說明

經過調和分析的計算，可以得到天文潮的水位隨時間變化 的資料，即是在理想狀況下(無颱風天災等環境因素影響)的潮 汐水位。而當我們收集到潮位站的潮汐水位資料時，則會發現

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

數列1

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潮汐水位的數值會因颱風、氣候或各種環境變數而產生變化，

導致實際潮汐水位資料和天文潮水位資料會有若干差異。如圖 3-6 所示以竹圍港在 2011 年的資料為例，來比對實際觀測得到 的潮汐資料與天文潮資料，圖中紅色線段為實際潮位站測得的 水位高度，藍色線段為解析天文潮的水位高度，很明顯地兩者 之間並沒有完全契合，紅色線(實際觀測水位)在某些時段會比 藍色線(天文潮水位)還要高，表示我們利用調和分析所求得的 天文潮(預報潮)會有低估實際潮位高度的情形發生，如圖 3-7 所示即為天文潮與實際觀測水位的差異。換言之，此亦即是水 位異常值△H，在圖 3-7 中以ζ(h)表示之，其計算方式如下式 所示：

△H = 實際觀測水位 – 天文潮水位 (3-3)

圖 3-6、合成天文潮與實際潮位之水位比對，紅色線為實際觀測水

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圖 3-7、合成天文潮與實際潮位分析之水位差異。

經過上式的計算，可得到該時間的水位差異△H，將該測 站長時間的△H_avg 做一個平均，即可得到該測站平均的水位差 異，取用平均的時間越長，△H_avg的值越準確。

在暴潮的分析上，係以暴潮強度(△S)來進行判別暴潮的發 生程度。標準積分△S = 暴潮偏差(△H-△Havg)/標準差。暴潮 偏差通常假設其分布為常態分布做為基準來判別暴潮是否發生，

依照此假設，在常態分析上，其標準計分在-3~3 之間的觀測站 99.7%，在此範圍外即視為異常現象。故當△S 大於 3 時，定義 為暴潮，△S 大於 2.5 則為弱暴潮。

以塭港為例來進行暴潮分析，取用 2011 年八月份的水位觀 測資料，如圖 3-8 中黑色線段所示。另外，利用調和分析計算 所得出之合成天文潮資料如圖 3-8 中紅色線段所示。由圖中可 看出有些時段這兩種水位資料間仍有些許差異存在。

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圖 3-8、塭港 2011 年八月份的合成天文潮水位與實際觀測資料水位 比較圖，黑色線段為觀測資料，紅色線段為調和常數合成資 料。

利用公式(3)將前述之水位差異△H 計算出來，即可得到圖 3-9 所示之實際觀測水位與合成天文潮水位之差異。由圖中可看 到在此案例中，最大的差異 0.4 公尺。

圖 3-9、塭港 2011 年八月份的水位差異△H。

暴潮強度之判別係由前述標準積分△S 來界定，接著將計 算所得水位差異△H 代入計算求得△S 值。然後，依暴潮強度 的定義值標示於如圖 3-10 所示之△S 時系列圖，即可依此判定 線來標示出暴潮強度。圖 3-10 中藍色線為△S 為 3 以上之暴潮，

紅色線為△S 為 2.5 以上之弱暴潮，而當水位差異值△H 高於判 定線，則可判斷有暴潮現象發生。

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圖 3-10、塭港 2011 年八月份的暴潮判定示意圖。

分析結果由圖 3-10 可知，塭港在 2011 年 8 月 28 日至 29 日期間，曾有發生△S 高達 3 的暴潮現象，經比對中央氣象局 颱風資料，確認 2011 年 8 月 27 日至 31 日台灣的確遭受南馬都 強烈颱風侵襲，故而引起塭港的水位紀錄呈現有暴潮發生之現 象。

3-3 暴潮分析結果與討論

經過調和分析與實測潮汐資料比對後，得到 14 個潮位站的 水位異常變化(△H)，圖 3-12 至圖 3-16 為 2011 年 5 個侵台颱風 過境期間之水位異常變化(△H)與路徑對照圖。

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圖 3-12、艾利颱風侵台期間，台灣各潮位站之△H 分析。

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圖 3-13、桑達颱風侵台期間，台灣各潮位站之△H 分析。

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圖 3-14、米雷颱風侵台期間，台灣各潮位站之△H 分析

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圖 3-15、梅花颱風侵台期間，台灣各潮位站之△H 分析

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圖 3-16、南瑪都颱風侵台期間，台灣各潮位站之△H 分析

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根據圖 3-12-3-16，可將 2011 年侵襲台灣的五個颱風對台 灣的影響進行進一步分析。艾利颱風路徑為自台灣東南海域 順著台灣東岸往北移動(6 號路徑)，距離台灣較遠，強度為輕 颱，因此無明顯暴潮現象發生。

桑達颱風在靠近台灣的過程中由中級颱風轉為強烈颱風，

再轉為中級颱風，路徑為自台灣東南海域順著台灣東岸往北 移動(6 號路徑)，由於颱風逆時鐘旋轉的特性，導致影響台灣 的主要颱風風向為由北往南吹拂之北風。因此推測後壁湖的 水位受到由北往南的暴風吹襲，造成海流往南移動，以致於 颱風侵襲期間的水位異常變化反而有略為低於基準線的趨勢。

相對於北部的基隆測站，則因面向颱風暴風吹拂方向，故水 位有抬升現象。但因颱風實際影響台灣時已經逐漸減弱(由強 颱轉為中颱)，因此較無明顯暴潮現象發生。

米雷颱風路徑為自台灣東南海域順著台灣東岸往北移動 (6 號路徑)，距離台灣較遠，強度為輕颱，因此無明顯暴潮現 象發生。

梅花颱風的路徑為自台灣東南海域順著台灣東岸往北移 動(6 號路徑)，距離台灣較遠，僅有 8 月 5-6 日較為接近台灣 北部，接近時強度為中颱，期接近時間對應基隆潮位站水位

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時間序列圖 5700-5750 之間，可見水位異常變化有明顯抬升，

可能有暴潮現象產生。

南瑪都颱風為 2011 年發布警報之颱風中，唯一登陸台灣 之颱風，路徑為自台灣東南海域潮稀北移動(4 號路徑)，颱風 發展期間距離台灣較遠，雖然強度一度達到強颱等級，但在 登陸台灣之前就已減弱至輕颱等級。但因台風生成時間長 (8/22-31)，因此到達台灣時仍然造成影響。竹圍、福隆、基 隆、龍洞、烏石、塭港、小琉球等測站，均可看到水位異常 抬升之現象，判斷有暴潮現象發生。

四、結論

本研究之分析方法可解析天文潮之各分潮之調和分量，亦 即各分潮之相關加權係數，進而可推算合成天文潮水位。並且 利用合成天文潮與實際觀測水位間的水位異常值，可計算暴潮 強度之標準積分值，進而依此來判定暴潮強度。本方法經過多 次驗證，均獲得良好結果，具有極高之可信度，可在往後的研 究過程中，提供有效的分析技術參考依據。

但在本報告中的暴潮分析結果並未看出明顯暴潮現象，工 作團隊質疑其原因應是在進行調和分析的過程中，使用之分潮 的分量數量不夠，以至於天文潮之解析程度不足，無法有效濾

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除實測潮汐資料受天文運動影響產生之潮汐慣性起伏曲線，導 致水位異常值的變化不明顯，因此仍需要進行調整，後續將再 進行更詳細之分析。

參考文獻

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